DE102018100511A1

DE102018100511A1 - Rotor blade for wind turbines

Info

Publication number: DE102018100511A1
Application number: DE102018100511.3A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-01-11
Filing date: 2018-01-11
Publication date: 2019-07-11

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Rotorblatt mit einer Krümmung, durch die ein Sogeffekt beziehungsweise ein Unterdruck durch die Überströmende Luft entsteht, wobei das Rotorblatt vorteilhaft als Teilsegment eines konzentrischen Rohres ausgebildet ist und sich vom Wurzelende hin zu seinem äußeren freien Ende verjüngt. Es entspricht dem Prinzip einer Flugzeugtragfläche in Abflugposition.

The invention relates to a rotor blade with a curvature, through which a suction effect or a negative pressure is created by the overflowing air, wherein the rotor blade is advantageously formed as a sub-segment of a concentric tube and tapers from the root end to its outer free end. It corresponds to the principle of an aircraft wing in take-off position.

Description

Die Erfindung betrifft ein Rotorblatt für Windkraftanlagen.The invention relates to a rotor blade for wind turbines.

Der Nutzung von Windenergie kommt in unseren Breitengraden eine besondere Bedeutung zu, weil sie über erheblich längeren Zeitraum verfügbar ist als die Solarenergie und somit weniger Speicherkapazität erfordert. Zudem hat sie erheblich mehr Potenzial als die Wasserkraft. Windenergieanlagen werden deswegen eine tragende Rolle bei der zukünftigen Versorgung mit Öko-Energie spielen. Deshalb wird hier nach besonders effizienten Lösungen geforscht. Je nach Aufgabenstellung und Größe sind verschiedene Erfordernisse zu beachten. Beispielsweise müssen bei sehr großen Windrädern die Flügel aus einzelnen Segmenten zusammengesetzt werden und erheblich leichter und steifer sein als bisher. Zum Teil müssen die Flügel bei Sturm abklappen. Sind die Einzelteile besonders groß, werden größere Getriebe benötigt, um die geringen Drehzahlen und gewaltigen Drehmomente in geeignete Generatordrehzahlen umzusetzen. Besonders große Windräder dürfen zum Beispiel nicht mehr 16 Umdrehungen je Minute machen, um an den Flügelspitzen keinen Überschallknall zu erzeugen. Auch sind Probleme wie Nachlaufströmungen, Trudelbetrieb, Pitchen, Schubbeiwerte und chaotisches Mäandern zu bewältigen, ebenso wie die Umgebungsturbulenzintensität auf der Luvseite bei eng aneinanderstehenden Windkraftanlagen.The use of wind energy is of particular importance in our latitudes, because it is available over a much longer period of time than the solar energy and thus requires less storage capacity. In addition, it has considerably more potential than hydropower. Wind turbines will therefore play a key role in the future supply of eco-energy. That is why research is being carried out into particularly efficient solutions. Depending on the task and size different requirements are to be considered. For example, in very large wind turbines, the wings must be composed of individual segments and be considerably lighter and stiffer than before. Partly the wings have to fold down in case of a storm. If the individual parts are particularly large, larger gears are needed to convert the low speeds and powerful torques into suitable generator speeds. For example, very large wind turbines may not make more than 16 revolutions per minute in order not to produce a sonic boom at the wing tips. Also, problems such as wake, trickle, pitch, thrust and chaotic meandering are to be overcome, as well as the ambient turbulence intensity on the windward side in closely spaced wind turbines.

Aus der DE 11 2012 005 432 T5 ist eine Windturbine zum Erzeugen elektrischer Energie unter Verwendung von Windkraft, insbesondere eine Windturbine mit einem Gondelzaun zur Verbesserung der aerodynamischen Leistung durch die Montage einer Zaunstruktur auf der Gondel einer Horizontalachsen-Windturbine bekannt. Die Windturbine mit einem Gondelzaun reduziert den Wirbel, der am stromabwärtigen Ende von rotierenden Rotorblättern erzeugt wird, so dass die aerodynamische Leistung der Rotorblätter verbessert wird, und erhöht damit den Leistungskoeffizienten der Windturbine.From the DE 11 2012 005 432 T5 is a wind turbine for generating electrical energy using wind power, in particular a wind turbine with a gondola fence for improving the aerodynamic performance by the mounting of a Zaunstruktur on the gondola of a horizontal axis wind turbine known. The wind turbine with a gondola fence reduces the vortex generated at the downstream end of rotating blades so that the aerodynamic performance of the rotor blades is improved, thereby increasing the performance coefficient of the wind turbine.

Die DE 10 2009 038 076 A1 offenbart ein Rotorelement zur Umströmung durch ein Fluid und für einen Rotor. Es umfasst ein Rotorblatt, das zwei Seitenflächen aufweist, und eine dem Rotorblatt zugeordnete Strömungsleitfläche, deren Nachlauf wenigstens teilweise die Anströmung an einer der Seitenflächen des Rotorblattes beeinflusst.The DE 10 2009 038 076 A1 discloses a rotor element for flowing around a fluid and for a rotor. It comprises a rotor blade which has two side surfaces, and a flow guide surface associated with the rotor blade, the wake of which at least partially influences the flow on one of the side surfaces of the rotor blade.

Aus der weiteren DE 10 2012 209 935 A1 ist ein Hinterkasten für ein Rotorblatt, insbesondere einer Windenergieanlage, bekannt, aufweisend eine druckseitige Fläche, eine saugseitige Fläche, eine die druck- und saugseitige Fläche trennende Hinterkante und eine der Hinterkante gegenüberliegende Verbindungsseite, welche zur Anbringung an einer korrespondierenden Verbindungsfläche des Rotorblattes angepasst ist. Insbesondere betrifft diese Druckschrift einen Hinterkasten, der in ein die Verbindungsseite aufweisendes Fußsegment und ein oder mehrere die Hinterkante aufweisende, mit dem Fußsegment koppelbare Kopfsegmente unterteilt ist. Zugleich betrifft sie ein Rotorblatt für eine Windenergieanlage.From the other DE 10 2012 209 935 A1 is a rear box for a rotor blade, in particular a wind turbine, comprising a pressure side surface, a suction side surface, a pressure and suction side surface separating trailing edge and a rear edge opposite connecting side, which is adapted for attachment to a corresponding connection surface of the rotor blade. In particular, this document relates to a rear box which is subdivided into a foot segment having the connection side and one or more rear segments having head segments which can be coupled to the foot segment. At the same time it relates to a rotor blade for a wind turbine.

Den bisher bekannten Rotorblättern ist gemein, dass sie eine mehr oder weniger steile Stellung der Rotorblätter gegenüber der Hauptwindrichtung aufweisen. Dadurch wird ein erheblicher Druck auf die senkrecht zu den Rotorblättern stehende Achse des Rotors und der Windenergieanlage ausgeübt. Die Rotorblätter biegen sich zudem in Richtung ihrer Rückseite, also der windabgewandten Seite. Dies geht teilweise soweit, dass die Rotorblätter nahe an dem zugehörigen Turm der Windenergieanlage vorbeistreichen.The previously known rotor blades have in common that they have a more or less steep position of the rotor blades relative to the main wind direction. As a result, considerable pressure is exerted on the vertical axis of the rotor blades of the rotor and the wind turbine. The rotor blades also bend in the direction of their back, so the side facing away from the wind. This goes so far in part that the rotor blades pass close to the associated tower of the wind turbine.

Um die auftretenden Probleme zu beherrschen, sind teilweise aufwendige Blattverstellsysteme erforderlich (vgl. Joerg Karl Berroth: Einfluss der Stelldynamik der Rotorblätter auf die Lasten der Blattverstellsysteme von Windenergieanlagen, August 2017).In order to master the occurring problems, sometimes elaborate blade adjustment systems are required (see Joerg Karl Berroth: Influence of the dynamic response of the rotor blades on the loads of the pitch adjustment systems of wind turbines, August 2017).

Zusätzlich werden lastreduzierende Regelungskonzepte entwickelt, die die Lastdynamiken direkt am Rotorblatt dämpfen sollen. Diese Konzepte basieren zumeist auf zusätzlicher Blattwinkelverstellung und führen damit zusätzlich zu erhöhten Anforderungen an die Blattverstellsysteme von Windenergieanlagen. Untersucht werden auch Einflüsse auf die dynamischen Lasten der Blattverstellsysteme, um gesicherte Lastannahmen für die Realisierung hochdynamischer Blattwinkelverstellung zur aktiven Lastreduktion zu erlangen.In addition, load-reducing control concepts are developed to dampen the load dynamics directly on the rotor blade. These concepts are usually based on additional blade angle adjustment and thus additionally lead to increased demands on the pitch adjustment systems of wind turbines. Influences on the dynamic loads of the blade adjustment systems are also examined in order to obtain reliable load assumptions for the realization of highly dynamic blade angle adjustment for active load reduction.

In Abkehr von der bisherigen Gestaltung derartiger Rotorblätter schlägt die Erfindung flach ausgebildete Rotorblätter vor. An diesen kann der Wind fast ungehindert, ähnlich wie an der Tragfläche eines Flugzeugs, vorbeistreichen, wobei er das Rotorblatt gleichwohl auf der Unterseite anhebt und auf der Oberseite durch die entsprechende Krümmung einen Unterdruck ausübt, so dass sich das Rotorblatt noch leichter anhebt und in Drehung versetzt. Das Rotorblatt weist also vorteilhaft eine Krümmung auf, durch die ein Sogeffekt bzw. ein Unterdruck durch die überströmende Luft entsteht. Dabei hebt die vorbeiströmende Luft das Rotorblatt in Relation zu der Generatorachse an. Nach dem Bernoulli-Prinzip wird die Luft beim Auftreffen auf die Flügelvorderseite wie in einem Flaschenhals verdichtet und dadurch zum schnelleren Fließen gezwungen. Die dadurch an der Rotorober- und -unterseite entstehende Druckdifferenz erzeugt den gewünschten Auftrieb.In departure from the previous design of such rotor blades, the invention proposes flat rotor blades. At these, the wind almost unhindered, similar to the wing of an aircraft, strike past, while lifting the rotor blade on the bottom and on the top by the corresponding curvature exerts a negative pressure, so that the rotor blade lifts even more easily and in rotation added. The rotor blade thus advantageously has a curvature through which a suction effect or a negative pressure is created by the overflowing air. The passing air raises the rotor blade in relation to the generator axis. According to the Bernoulli principle, the air is compressed as it hits the front of the wing like a bottleneck and thus forced to flow faster. The thus resulting at the Rotorober- and -unterseite pressure difference generates the desired buoyancy.

Der Coanda-Effekt beschreibt das Wirkprinzip damit, dass Luft die Tendenz besitzt, an einer Oberfläche zu haften und daher beim Vorbeiströmen deren Krümmung zu folgen. Daraus folgt, dass die Luft an der Oberseite des Tragflügels nach unten gesogen wird und dadurch über dem Flügel ein Unterdruck entsteht. The Coanda effect describes the working principle that air has a tendency to adhere to a surface and therefore to follow its curvature as it flows past. It follows that the air at the top of the wing is sucked down and thus creates a negative pressure above the wing.

Ausschlaggebend für den gewünschten Auftrieb ist nicht nur allein das Profil des Tragflügels beziehungsweise Rotorblatts, sondern dessen Anstellwinkel. Ein schräg gestellter Flügel drückt die Luft nach unten, indem er Kraft auf sie ausübt. Dies ruft nach Newtons-Gesetz „actio = reactio“ im selben Moment eine gleich große Gegenkraft hervor, durch die der Flügel beziehungsweise das Rotorblatt nach oben gedrückt wird.Decisive for the desired buoyancy is not only the profile of the wing or rotor blade, but its angle of attack. A tilted wing pushes the air down by applying force to it. This, according to Newton's law "actio = reactio", at the same moment produces an opposing force which pushes the wing or the rotor blade upwards.

Nach überschlägigen Berechnungen macht die entstehende Kraft unter dem Flügel beziehungsweise des Rotorblatts etwa ein Drittel des gesamten Auftriebs aus, die restlichen zwei Drittel stammen vom Sog, der an der Oberseite herrscht. Die Wölbung des Flügels beziehungsweise Rotorblattes ist für den Auftrieb nicht entscheidend, wenngleich sie ihn verbessern kann. Auch ein flacher Flügel erzeugt jedoch Auftrieb. Wichtig ist der Anstellwinkel, das heißt der Winkel, mit dem die Tragfläche zum Luftstrom steht. Bei konstanter Luftdichte, Flügel- beziehungsweise Rotorblattgröße und gleichbleibendem Anstellwinkel ist die Auftriebskraft proportional zum Quadrat der Luftgeschwindigkeit. Sowohl die abgelenkte Luft pro Zeiteinheit, als auch deren vertikale Beschleunigung wachsen proportional mit der Luftgeschwindigkeit. Bei doppelter Luftgeschwindigkeit und ansonsten gleicher Anströmung der Luft verdoppelt sich sowohl die nach unten beschleunigte Luft, als auch ihre Geschwindigkeit. Das bedeutet, dass der Auftrieb sich vervierfacht. Da die Ablenkungsgeschwindigkeit und die dafür benötigte Antriebsleistung quadratisch eingeht, ist die für die Auftriebserzeugung benötigte Leistung umgekehrt proportional zur Luftgeschwindigkeit sowie zur Größe der Flügel beziehungsweise Rotorflächen. Das bedeutet, je höher die Luftgeschwindigkeit oder je größer die Rotorblätter, desto größer die Turbinenleistung. Dieser Wirkmechanismus ist Teil des induzierten Widerstands. Er entzieht dem Auftrieb die von den Strömungssystemen dafür benötigte Energie in Form von Strömungswiderstand.According to rough calculations, the resulting force under the wing or the rotor blade accounts for about one third of the total lift, the remaining two-thirds come from the suction that prevails at the top. The curvature of the wing or rotor blade is not critical to buoyancy, although it can improve it. However, a flat wing also creates buoyancy. Important is the angle of attack, that is the angle at which the wing stands to the air flow. With constant air density, blade size, blade pitch, and constant pitch, the buoyancy force is proportional to the square of the airspeed. Both the deflected air per unit time and its vertical acceleration grow proportionally with the air velocity. At double air speed and otherwise the same air flow doubles up both the accelerated air down, as well as their speed. This means that the lift quadruples. Since the deflection speed and the drive power required for it is quadratic, the power required for the lift generation is inversely proportional to the air speed and the size of the wings or rotor surfaces. This means that the higher the air speed or the larger the rotor blades, the greater the turbine power. This mechanism of action is part of the induced resistance. It removes the buoyancy of the energy required by the flow systems in the form of flow resistance.

Der Coanda-Effekt kann an der Oberseite des Flügel- beziehungsweise Rotorblattes nur bis zu einem bestimmten, von der Profilform, der Oberflächenqualität und der Reynolds-Zahl abhängigen Anstellwinkel ein Anliegen der Strömung gewährleisten. Dieser beträgt in der Regel circa 15 - 20 Prozent. Jenseits dieses Anstellwinkels reißt die Strömung von der Oberfläche ab. Dies bewirkt eine drastische Erhöhung des Formwiderstands, gleichzeitig bricht der größere Teil des Auftriebs zusammen, da das Profil in diesem Strömungszustand den Luftstrom an
der Oberseite des Flügel- beziehungsweise Rotorblattes nicht mehr effektiv ablenken kann, sondern im Wesentlichen nur noch verwirbelt.The Coanda effect can ensure the flow at the top of the wing or rotor blade only up to a certain, depending on the profile shape, the surface quality and the Reynolds number attack angle. This is usually about 15 - 20 percent. Beyond this angle of attack, the flow breaks away from the surface. This causes a drastic increase in the shape resistance, at the same time breaks the greater part of the lift together, since the profile in this flow state to the air flow
the top of the wing or rotor blade can no longer effectively distract, but essentially only swirled.

Um eine bessere Auftriebsverteilung und somit einen geringeren induzierten Widerstand zu erreichen, sind die erfindungsgemäßen Rotorblätter langgestreckt und verjüngen sich im Außenbereich, weisen also eine Zuspitzung auf. Die Länge beträgt vorteilhaft sechs Mal ein Viertel des Kreisumfangs, also des Rohres, aus dem sie geschnitten sind.In order to achieve a better buoyancy distribution and thus a lower induced resistance, the rotor blades according to the invention are elongated and taper in the outer region, so have an escalation. The length is advantageously six times a quarter of the circumference, ie the tube from which they are cut.

Mit den erfindungsgemäßen Rotorblättern werden bisher erzeugte Wirbel vermieden bzw. vermindert, sowie die aerodynamische Leistung der Rotorblätter verbessert und damit die Leistungskoeffizienten der Windturbine überraschend deutlich erhöht. Somit ist es möglich, die kinetische Energie des Windes mit einem möglichst hohen Wirkungsgrad zu nutzen. Die Rotoren sind mit einer im Wesentlichen horizontalen Rotationsachse ausgelegt, verfügen über mindestens zwei einstellbare Rotorblätter und erzeugen ein Drehmoment auf einer Welle, die über ein Getriebe zum Antrieb eines elektrischen Generators genutzt wird. Abhängig von der Größe, insbesondere Bauhöhe, und der Länge der Rotorblätter gibt es verschiedene Leistungsklassen. Dabei basiert die Auslegung von Windrädern auf der Betz-Formel; danach kann nur etwa 60% Energie dem vorbeiströmenden Wind entnommen werden, sonst wird der Wind zu stark abgebremst oder der Wind strömt ausweichend um das Windrad herum.With the rotor blades according to the invention previously generated vortex are avoided or reduced, and improves the aerodynamic performance of the rotor blades and thus increases the power coefficient of the wind turbine surprisingly significant. Thus, it is possible to use the kinetic energy of the wind with the highest possible efficiency. The rotors are designed with a substantially horizontal axis of rotation, have at least two adjustable rotor blades and generate a torque on a shaft, which is used via a transmission for driving an electric generator. Depending on the size, in particular height, and the length of the rotor blades, there are different performance classes. The design of wind turbines is based on the Betz formula; then only about 60% energy can be taken from the passing wind, otherwise the wind will be slowed down too much or the wind will wind around the windmill evasively.

Auch die modernsten Windkonverter können die theoretisch im Wind enthaltene Leistung Pth nicht zu 100% umwandeln. Da die Luft hinter dem Windrad noch mit einer bestimmten Geschwindigkeit wegströmen muss, kann der Wind nicht völlig abgebremst werden, so dass ein Teil der Bewegungsenergie enthalten bleibt. Das theoretische Optimum, das sich mit Hilfe von Formeln berechnen lässt, indem das Verhältnis der Windgeschwindigkeiten vor und hinter den Konverter-Flügeln berechnet wird, bei dem der strömenden Luft ein Maximum an Energie entzogen wird, wird erreicht, wenn die Windgeschwindigkeit in der Windradebene um zwei Drittel verringert wird, hinter den Flügeln also noch ein Drittel der ursprünglichen Geschwindigkeit hat. Die Energieausbeute kann dann theoretisch genau 16/27tel, also ungefähr 60% der im Wind insgesamt enthaltenen Energie betragen, vorausgesetzt das Windrad weist für die Auslegungsgeschwindigkeit die idealen Flügel auf. Gute, technisch realisierbare Flügel wandeln statt der theoretisch berechneten 60% bislang immerhin rund 40% der im Wind enthaltenen Gesamtenergie um. Idealflügel lassen sich ebenso wenig praktisch anfertigen, wie in Wirklichkeit der Wind über längere Zeit mit Auslegungsgeschwindigkeit weht. Grundlegende Informationen finden sich in dem Buch von Dr. Albert Betz, Windenergie und ihre Nutzung durch Windmühlen, erstmals erschienen 1926 und heute als Reprint erhältlich beim Ökobuch Verlag, Staufen.Even the most modern wind converters can not convert 100% of the theoretical Pth power contained in the wind. Since the air behind the windmill still has to flow away at a certain speed, the wind can not be completely decelerated, so that a part of the kinetic energy remains. The theoretical optimum, which can be calculated by means of formulas, by calculating the ratio of wind velocities before and after the converter vanes, in which a maximum of energy is withdrawn from the flowing air, is achieved when the wind speed in the wind wheel plane two-thirds is reduced, behind the wings so still has a third of the original speed. The energy yield can then be theoretically exactly 16 / 27th, that is about 60% of the total energy contained in the wind, provided that the wind turbine has the ideal wing for the design speed. Good, technically feasible wings convert instead of the theoretically calculated 60% so far around 40% of the total energy contained in the wind. Ideal wings can be made just as practical, as in reality the wind blows for a long time at design speed. Basic Information can be found in the book by dr. Albert Betz, wind energy and its use by windmills, first published in 1926 and today available as a reprint at Ökobuch Verlag, Staufen.

Weitere theoretische Grundlagen finden sich in dem Buch von Karl Bielau: Die Windkraft in Theorie und Praxis aus dem Jahr 1925.Further theoretical foundations can be found in the book by Karl Bielau: Wind power in theory and practice from 1925.

Beide gingen von der Erkenntnis aus, dass die Flügel dem Wind Energie entziehen. Dazu müssen sie auf eine ganz bestimmte Weise gestaltet werden. Für ihre Gestaltung liefert die Lehre von der Aerodynamik die naturwissenschaftlichen Grundlagen: Auf jeden Fall muss der Flügelquerschnitt ein Auftriebsprofil sein. Diejenige Kraft, die den Rotorflügel zurückdrängt, die also parallel zur Strömung wirkt, nennt man Widerstandskraft, und diejenige, die senkrecht zur Strömung wirkt, Auftriebskraft.Both were based on the realization that the wings withdraw energy from the wind. To do this, they have to be designed in a very specific way. For their design, the theory of aerodynamics provides the scientific basis: In any case, the wing cross-section must be a buoyancy profile. The force that pushes back the rotor blade, which thus acts parallel to the flow, is called resistance force, and that force acting perpendicular to the flow, buoyancy force.

Weist ein linealartiger Körper mit einer bestimmten Länge, der Spannweite, und einer bestimmten Breite, der Tiefe, einen geringen Widerstand entgegen der Bewegungsrichtung und einen hohen Auftrieb senkrecht zur Strömungsrichtung auf, so nennt man ihn Tragflügel. Wie ein Vogelflügel hat ein solcher meist eine relativ zur Tiefe geringe Dicke. Der Tragflügel bezeichnet zugleich den Hauptverwendungszweck. Er findet in jedem Flugzeug und in jedem Windradflügel praktische Anwendung.Has a ruler-like body with a certain length, the span, and a certain width, the depth, a low resistance to the direction of movement and a high buoyancy perpendicular to the flow direction, so it is called wing. Such a bird's wing usually has a thickness that is small relative to the depth. The wing also denotes the main purpose of use. It finds practical application in every airplane and every wind turbine wing.

Die größte Auftriebskraft entwickelt sich bei einem bestimmten Anstellwinkel, den die Mittellinie des Profils mit der Strömungsrichtung bildet. Ein wichtiger Anstellwinkel ist derjenige, bei dem der Quotient aus Auftriebskraft und Widerstandskraft ein Maximum erreicht. Diesen Quotienten nennt man Gleitzahl. Je höher die Gleitzahl des Windmühlenprofils, umso besser ist die Energieausbeute. In den in der Praxis verwendeten Polardiagrammen sind die Beiwerte für Auftriebskraft und Widerstandskraft für verschiedene Anstellwinkel aufgetragen. Diese Beiwerte werden experimentell ermittelt und sind auch von der StrömungsgeschwindigkeitThe largest buoyancy force develops at a certain angle of attack, which forms the center line of the profile with the flow direction. An important angle of attack is one in which the quotient of buoyancy force and resistance reaches a maximum. This quotient is called the glide ratio. The higher the glide ratio of the windmill profile, the better the energy yield. In the polar diagrams used in practice, the buoyancy and drag coefficients are plotted for various angles of attack. These coefficients are determined experimentally and are also based on the flow velocity

abhängig. Wird der Anstellwinkel zu groß, verwirbelt die Strömung auf der Oberseite - beim Windradflügel ist das die Leeseite des Profils - und wird turbulent. In diesem Zustand bricht die Auftriebskraft zusammen und die Widerstandskraft nimmt stark zu.dependent. If the angle of attack becomes too great, the flow on the top swirls - this is the leeward side of the profile for the wind turbine blade - and becomes turbulent. In this state, the buoyancy force collapses and the resistance force increases sharply.

Erfolgt dieser Umschlag in die Turbulenz - verglichen mit anderen Profilquerschnitten - erst bei großen Anstellwinkeln, spricht man von einem gutmütigen Profil. Je schneller ein Profil umströmt wird, desto mehr beeinflusst auch die Oberflächenrauhigkeit die Größe des Widerstandes und den Turbulenzumschlag. Auf welche Weise die Auftriebskraft entsteht, wird seit je her anhand von Messungen des Druckunterschieds zwischen der oberen und der unteren Seite des Profils deutlich. Die Ergebnisse zeigen, dass die Druckseite unten, d.h. beim Windradflügel in Luv, und die Sogseite oben, also beim Windradflügel in Lee liegt.If this transition into turbulence - compared with other profile cross sections - only at large angles of attack, one speaks of a good-natured profile. The faster a profile flows around, the more the surface roughness influences the size of the resistance and the turbulence envelope. How the buoyancy force arises has always been evident from measurements of the pressure differential between the upper and lower sides of the profile. The results show that the print side down, i. at the wind turbine wing in windward, and the suction side above, that is the wind turbine wing in lee.

Die Größe des Druckunterschiedes einerseits und die Abmessungen des Tragflügels andererseits ermöglichen die Überwindung der Gewichtskraft bei einem fliegenden Flugzeug. Wenn der Wind einen Rotor umströmt, erzeugt er ebenfalls eine Kraft, die mit der am Tragflügel vergleichbar ist. Beim Windkonverter wird sie genutzt, um ein Drehmoment an der Rotorachse zu erzeugen. Da die Sogseite besonders turbulenzempfindlich ist, muss sie sehr sorgfältig ausgeführt und geglättet werden. Jede noch so kleine Stolperkante macht sich als Strömungsverlust auch bei der Energieausbeute bemerkbar, und zwar umso mehr, je höher die Schnelllaufzahl ist. Langsam drehende Rotoren sind strömungsstabiler. (vgl. Horst Crome, Handbuch Windenergie Technik, Windkraftanlagen in handwerklicher Fertigung, Ökobuch Verlag, Staufen 4. Auflage 2012).The size of the pressure difference on the one hand and the dimensions of the wing on the other hand allow overcoming the weight of a flying aircraft. When the wind flows around a rotor, it also generates a force comparable to that on the wing. In the wind converter, it is used to generate a torque at the rotor axis. Since the suction side is particularly turbulence-sensitive, it must be very carefully executed and smoothed. Every little tripping edge makes itself noticeable as a loss of flow in terms of energy yield, and even more so the higher the number of revolutions. Slow rotating rotors are more stable in flow. (see Horst Crome, manual wind energy technology, wind turbines in craft production, Ökobuch Verlag, Staufen 4th edition 2012).

Grundsätzlich sind bei stromerzeugenden Windkraftanlagen Hochauftriebsprofile mit einem sehr günstigen Verhältnis von Auftriebs- und Widerstandbeiwerte, d.h. einer hohen Gleitzahl, bevorzugt. Vor allem im Bereich der Blattspitze spielt eine hohe Gleitzahl eine vorrangige Rolle, die dünne Profile erfordert. Wegen hoher Rotationsgeschwindigkeit reicht eine kurze Profiltiefe. Im Innenbereich sind wegen niedrigerer Umfangsgeschwindigkeit die lokale Schnelllaufzahl und die Anströmgeschwindigkeit deutlich niedriger. Dies erfordert hierfür gleich große Auftriebskräfte die größere Profiltiefen und ermöglicht auch den Einsatz dickerer Profile als im Außenbereich. Es ist jedoch nicht zwangsläufig, dass unterschiedliche Profile im Außen- bzw. Innenbereich eingesetzt werden, obwohl an der Blattwurzel die größten Belastungen auftreten, so dass dickere Profil den Festigkeitsanforderungen entgegenkommen.In principle, in power generating wind turbines, high lift profiles with a very favorable ratio of lift and drag coefficients, i. a high glide ratio, preferred. Especially in the area of the blade tip, a high glide ratio plays a primary role, which requires thin profiles. Due to the high rotational speed, a short tread depth is sufficient. Indoors, due to lower peripheral speed, the local speed of rotation and the flow velocity are significantly lower. This requires equally large buoyancy forces the larger tread depths and also allows the use of thicker profiles than in the outdoor area. However, it is not inevitable that different profiles are used outdoors or indoors, although at the blade root, the largest loads occur, so that thicker profile meet the strength requirements.

Für langsam läufige Rotoren werden einfache Profile aus gebogenen Stahlblechen realisiert, während bei Rotorblättern von schnelllaufenden stromerzeugenden Windkraftanlagen die Anforderungen an die Profile höher sind. Diese werden überwiegend aus glasfaser- und auch kohlefaserverstärkten Kunststoffen (GFK bzw. CFK) laminiert. Kohlefasern weisen eine bis zu 3-fach höhere statische Festigkeit und darüber hinaus auch tendenziell höhere Dauerfestigkeiten auf.For slow-running rotors simple profiles of bent steel sheets are realized, while in rotor blades of high-speed power generating wind turbines, the demands on the profiles are higher. These are mainly laminated from glass fiber and carbon fiber reinforced plastics (GRP or CFRP). Carbon fibers have up to 3 times higher static strength and, in addition, tend to have higher fatigue strengths.

Herkömmlich werden separate Flügelformen für die Saug- und Druckseite mit Fasergelegen ausgekleidet und anschließend mit Polyester- oder Expozidharz getränkt. Manche Fasergelege werden auch vorgetränkt (Pre-Pregs). Teilweise wird auch die sogenannte Sandwichbauweise bevorzugt, bei der zwischen dem äußeren und inneren Fasergelege eine Balsaholzschicht liegt. Durch eine vorbestimmte Erwärmung wird das Harz ausgehärtet und anschließend werden die Flügelhälften zusammengeklebt. Die form- und festigkeitsgebenden Profilschalen der GFK-Flügel werden anschließend noch ausgeschäumt und/oder durch GFK-Stege zusätzlich versteift. Das Blatt wird mit Wetter- und UV-beständigen Coating von außen beschichtet. Zur Vermeidung von Materialabtrag an den Blattvorderkanten werden Erosionsschutzfolien aufgeklebt, die bei Verschleiß getauscht werden können. Zusätzlich können auf den Flügeln Strömungselemente appliziert sein, beispielsweise sogenannte „Vortex“-Generatoren, die im Betrieb für definierte Strömungszustände und -führung trotz der mit dem Rotorumlauf und der Zeit schwankenden Windgeschwindigkeiten sorgen.Traditionally, separate wing shapes for the suction and pressure side are lined with fibrous webs and then impregnated with polyester or Expozidharz. Some fiber fabrics are also pre-soaked. Sometimes, the so-called sandwich construction is preferred in the a balsa wood layer lies between the outer and inner fiber layer. By a predetermined heating, the resin is cured and then the wing halves are glued together. The form- and strength-giving profile shells of the GRP wings are then still filled with foam and / or stiffened by GRP webs. The sheet is coated with weather and UV resistant coating from the outside. In order to avoid material removal at the leaf leading edges erosion protection foils are glued on, which can be exchanged if worn. In addition, flow elements can be applied to the vanes, for example so-called "vortex" generators, which in operation provide for defined flow states and guidance despite the wind speeds fluctuating with the rotor circulation and the time.

(Vgl. Robert Gasch, Jochen Twele (Hrsg) Windkraftanlagen, Grundlagen, Entwurf, Planung und Betrieb, Springer Vieweg Verlag, 8. Auflage 2013).(See Robert Gasch, Jochen Twele (Hrsg) wind turbines, fundamentals, design, planning and operation, Springer Vieweg Verlag, 8th Edition 2013).

In Ausgestaltung ist das erfindungsgemäße Rotorblatt als Teilsegment eines konzentrischen Rohres ausgebildet. Es kann sich vom Wurzelende hin zu seinem äußeren freien Ende verjüngen und am Wurzelende annähernd 1/3 eines konzentrischen Rohres und an seinem äußeren, freien Ende annähernd 1/12 des konzentrischen Rohres entsprechen.In an embodiment, the rotor blade according to the invention is designed as a sub-segment of a concentric tube. It may taper from the root end to its outer free end and correspond approximately 1/3 of a concentric tube at the root end and approximately 1/12 of the concentric tube at its outer, free end.

Vorgesehen ist auch, dass sich das Rotorblatt von seinem Wurzelende linear zu seinem freien Ende hin verjüngt.It is also envisaged that the rotor blade tapers from its root end linearly towards its free end.

Weiter ist in vorteilhafter Ausgestaltung vorgesehen, dass die in Drehrichtung gesehene Oberkante des Rotorblattes sich von dem Wurzelende rechtwinkelig zu seinem freien Ende hin erstreckt und an seiner Unterkante spitzwinkelig verläuft.Furthermore, it is provided in an advantageous embodiment that the viewed in the direction of rotation of the upper edge of the rotor blade extends from the root end perpendicular to its free end and extends at an acute angle at its lower edge.

Das Rotorblatt ist insbesondere einer Flugzeugtragfläche nachempfunden und verläuft an seinem Wurzelende von der Oberkante in einem Winkel vom 30° bis 60° zu seiner Unterkante.The rotor blade is in particular modeled on an aircraft wing and extends at its root end from the upper edge at an angle of 30 ° to 60 ° to its lower edge.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in

1 eine perspektivische aufnsicht auf ein dreiflügeliges Windrad mit erfindungsgemäßen Rotorblättern
2 eine Detailansicht gemäß 1
3 eine Detailansicht eines Rotorblattes
4 eine um 180° gedrehte Detailansicht eines Rotorblattes
5 eine Detailansicht mehrerer Rotorblätter angeordnet an einer Rotornabe
6 eine Alternativansicht zu 5
7 eine weitere Detailansicht der Anordnung mehrerer Rotorblätter an der Rotornabe
8 eine andere Ansicht von 7
9 eine planare Abwicklung eines erfindungsgemäßen Rotorblattes
10 eine Prinzipdarstellung eines Rotorblattes an seinem Wurzelende
11 eine Prinzipdarstellung eines Rotorblattes an seinem freien Ende
12 Eine Aufsicht auf ein erfindungsgemäßes Rotorblatt
13 Ein vergrößerter Ausschnitt gemäß 12
14 Eine perspektivische Ansicht auf ein erfindungsgemäßes Rotorblatt

The invention is explained below with reference to the drawing. This shows in

1 a perspective view of a three-bladed windmill rotor blades according to the invention
2 a detailed view according 1
3 a detailed view of a rotor blade
4 a detail view of a rotor blade rotated by 180 °
5 a detailed view of a plurality of rotor blades arranged on a rotor hub
6 an alternative view too 5
7 a further detailed view of the arrangement of a plurality of rotor blades on the rotor hub
8th another view of 7
9 a planar development of a rotor blade according to the invention
10 a schematic diagram of a rotor blade at its root end
11 a schematic diagram of a rotor blade at its free end
12 A plan view of an inventive rotor blade
13 An enlarged section according to 12
14 A perspective view of an inventive rotor blade

Ein Rotorblatt 1, wie beispielsweise aus der 14, aber auch aus den 12 - 13 und aus den 3 -4 hervorgeht, weist eine gleichmäßige Krümmung auf und ist als Teilsegment eines konzentrischen Rohres ausgebildet, aus dem es geschnitten sein kann. Durch diese Krümmung entsteht ein Sogeffekt beziehungsweise ein Unterdruck durch die überströmende Luft, sodass diese insgesamt vorbeiströmende Luft das Rotorblatt 1 in Relation zu der Generatorachse 2 anhebt und in Drehung versetzt. Das Rotorblatt 1 verjüngt sich von seinem Wurzelende 3 hin zu seinem äußeren freien Ende 4, wobei es an seinem Wurzelende 3 annähernd einem Drittel eines konzentrischen Rohres und zu einem äußeren freien Ende 4 annähernd einem Zwölftel des konzentrischen Rohres entspricht, vgl. 10 - 11, die dies prinzipiell darstellen.A rotor blade 1 , such as from the 14 , but also from the 12 - 13 and from the 3 - 4 shows, has a uniform curvature and is formed as a sub-segment of a concentric tube from which it can be cut. This curvature creates a suction effect or a negative pressure due to the overflowing air, so that this total air flowing past the rotor blade 1 in relation to the generator axis 2 lift and spin. The rotor blade 1 rejuvenates from its root end 3 towards his outer free end 4 , being at its root end 3 approximately one third of a concentric tube and to an outer free end 4 approximately one twelfth of the concentric tube corresponds, see. 10 - 11 that represent this in principle.

Die in Drehrichtung gesehene Oberkante 5 des Rotorblatts 1 erstreckt sich von dem Wurzelende 3 rechtwinklig zu seinem freien Ende 4 hin, während seine Unterkante 6 spitzwinklig dorthin verläuft. Insbesondere verläuft das Rotorblatt 1 an seinem Wurzelende 3 von der Oberkante 5 in einem Winkel von 30° bis 60° zu seiner Unterkante 6.The upper edge seen in the direction of rotation 5 of the rotor blade 1 extends from the root end 3 right-angled to its free end 4 down while its bottom edge 6 at an acute angle there. In particular, the rotor blade runs 1 at its root end 3 from the top edge 5 at an angle of 30 ° to 60 ° to its lower edge 6 ,

Die Länge des Rotorblatts 1 kann vorteilhaft sechs Mal einem Viertel des Kreisumfangs eines konzentrischen Rohres entsprechen, aus dem das Rotorblatt 1 ausgeschnitten ist.The length of the rotor blade 1 may advantageously correspond to six times a quarter of the circumference of a concentric tube from which the rotor blade 1 is cut out.

Die Rotorblätter 1 sind beispielhaft durch Verbindungsmittel 7, etwa rechtwinklige Befestigungsstücke 7, mit der Generatorachse 2 verbunden, wobei die Zeichnung jeweils drei Rotorblätter 1 pro Generatorachse 2 vorsieht. Es ist aber auch denkbar, dass nur zwei Rotorblätter 1 vorhanden sind, ebenso kann die Anzahl der Rotorblätter 1 bei Bedarf auch erhöht werden. Eine planare Abwicklung des Rotorblatts 1 ist in 9 dargestellt.The rotor blades 1 are exemplary by connecting means 7 , about right-angled attachment pieces 7 , with the generator axis 2 connected, the drawing in each case three rotor blades 1 per generator axis 2 provides. But it is also conceivable that only two rotor blades 1 are present, as well as the number of rotor blades 1 if necessary also increased become. A planar development of the rotor blade 1 is in 9 shown.

Natürlich ist die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Weitere Ausgestaltungen sind möglich, ohne den Grundgedanken zu verlassen. Wesentlich ist nur, dass das Rotorblatt so flach ausgebildet ist, dass der Wind fast ungehindert an ihm vorbeistreichen, es gleichzeitig aber durch den entstehenden Druck- und Sogeffekt anheben und der Rotor in Bewegung setzen kann.Of course, the invention is not limited to the illustrated embodiments. Further embodiments are possible without departing from the basic idea. It is only important that the rotor blade is designed so flat that the wind almost unhindered past him, but at the same time raise it by the resulting pressure and suction effect and the rotor can set in motion.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 112012005432 T5 [0003]
DE 102009038076 A1 [0004]
DE 102012209935 A1 [0005]

Claims

Rotor blade (1) for a generator, in particular for a wind energy plant, characterized in that the rotor blade (1) is formed flat.

Rotor blade after Claim 1 , characterized in that the rotor blade (1) has a curvature, through which a suction effect or a negative pressure is created by the overflowing air.

Rotor blade after Claim 1 or 2 , characterized in that the air flowing past the rotor blade (1) in relation to the generator axis (2) lifts.

Rotor blade according to one or more of the preceding claims, characterized in that the rotor blade (1) is designed as a sub-segment of a concentric tube.

Rotor blade according to one or more of the preceding claims, characterized in that the rotor blade (1) tapers from the root end (3) towards its outer free end (4).

Rotor blade according to one or more of the preceding claims, characterized in that the rotor blade (1) at the root end (3) approximately corresponds to 1/3 of a concentric tube and at its outer, free end (4) approximately 1/12 of the concentric tube (7 ).

Rotor blade according to one or more of the preceding claims, characterized in that the rotor blade (1) tapers from its root end (3) linearly towards its free end (4).

Rotor blade according to one or more of the preceding claims, characterized in that the upper edge (5) of the rotor blade (1) seen in the direction of rotation extends from the root end (3) at right angles to its free end (4) and at its lower edge (6). runs at an acute angle.

Rotor blade according to one or more of the preceding claims, characterized in that the rotor blade (1) is modeled on an aircraft wing.

Rotor blade according to one or more of the preceding claims, characterized in that the rotor blade (1) extends at its root end (3) from the upper edge (5) at an angle of 30 ° to 60 ° to its lower edge (6).

Rotor blade according to one or more of the preceding claims, characterized in that the length of the rotor blade (1) corresponds to six times a quarter of the circumference of a concentric tube (7), from which the rotor blade (1) is cut.